3D-Simulation Windturbulenzen mit realen Lidar-Daten simulieren

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Große Gebäude können entweder maßstabsgetreu in einem Windkanal getestet werden. Oder realistischer mit einer 3D-Simulation, um die Auswirkungen des Windes auf ein Gebäude realitätsnah zu erfassen. Die Daten werden mit einem Lidar-System erfasst.

Bei der Planung großer Gebäude ist es seit über 50 Jahren üblich, ein maßstabsgetreues Modell im Windkanal zu testen. Diese Methode hat zwei entscheidende Nachteile: Zum einen sind die Spitzenlasten bei einem solchen Test bekanntlich zu gering, so dass Sicherheitsreserven eingeplant werden müssen. Zum anderen kommt der Wind immer nur aus einer Richtung, während in der Realität viele Böen und starke Verwirbelungen aus verschiedenen Richtungen auf das Gebäude einwirken.

Das dänische Unternehmen Vind-Vind entwickelt eine 3D-Simulation, um die Auswirkungen des Windes auf ein Gebäude realitätsnah zu erfassen. Um die Genauigkeit der Simulation zu erhöhen, werden reale Daten verwendet, die mit einem Lidar-System mit Impulsen von 10 ns erfasst werden. Partikel in der Luft reflektieren den Laser und das zurückgestrahlte Licht zeigt durch den Doppler-Effekt verursachte Veränderungen. Diese werden mit einer Hochgeschwindigkeits-Digitalisierungskarte von Spectrum Instrumentation erfasst und analysiert.

Windbewegungen mit einer Messkarte messen

Per Jørgensen ist Geschäftsführer von Vind-Vind. Er erklärt, wie sich Windbewegungen messen lassen: „Derzeit gibt es zwei Möglichkeiten; entweder mit niedriger Auflösung über eine große Entfernung von mehreren Kilometern oder mit hoher Auflösung über eine kurze Entfernung von einigen hundert Metern. Wir haben ein neues Instrument auf Lidar-Basis entwickelt, um große Entfernungen mit hoher Auflösung messen zu können. Der Schlüssel dazu ist die Digitalisierungskarte von Spectrum, denn sie kann die Messdaten mit einer Abtastrate von 3,2 Gigasamples pro Sekunde und einer Auflösung von 12 Bit erfassen. Das ist sogar mehr als wir brauchen, aber es gibt uns die Möglichkeit, auch verrauschte Bedingungen und schwache Signale zu berücksichtigen. Die hohe Bandbreite bedeutet auch, dass wir hochfrequentes Rauschen sofort erkennen und herausfiltern können, so dass nur niederfrequentes Rauschen übrig bleibt, das wir später bei der Datenverarbeitung eliminieren.“

Verfolgt man eine große Anzahl von Staubpartikeln, die sich im Wind bewegen, dann entstehen große Datenmengen. Ursprünglich wollte Vind-Vind eine FPGA-Plattform verwenden. Allerdings hätte dieser Ansatz eine zu komplexe Programmierung und zu wenig Rechenleistung erfordert, um die Datenflut zu bewältigen. Das Datenproblem wurde durch den Einsatz von SCAPP-Treibern (Spectrums CUDA Access for Parallel Processing) gelöst.

Digitizer schickt Daten direkt zur Grafikkarte

Der M5i-Digitizer schickt die erfassten Daten über seine 16-Lane-PCIe-Schnittstelle mit 12,8 Gigabyte pro Sekunde direkt an eine CUDA-basierte Grafikkarte statt an die PC-CPU. Die Grafikkarte, in diesem Fall eine Nvidia Quadro A4000 inklusive GPU mit 6.144 Kernen, verarbeitet die Daten deutlich schneller als die PC-CPU mit nur sechs oder acht Kernen.

Vind-Vind verwendet sowohl Turbulenzmessungen über städtischen Gebieten als auch Messungen der höheren Atmosphäre, um die 3D-Simulation zu verbessern. „Letztendlich wird es möglich sein, die erheblichen Überdimensionierungen, die Architekten aufgrund ungenauer Windkanaltests vornehmen, deutlich zu reduzieren. Das bedeutet weniger Baumaterial, weniger Kosten und mehr Nachhaltigkeit“, sagt Per Jørgensen.

Das Unternehmen geht davon aus, dass sich die neue 3D-Windsimulation gegenüber klassischen Windkanaltests durchsetzen wird, insbesondere wenn es um komplexe Turbulenzen über größeren Gebieten wie städtischen Umgebungen, Ansammlungen von Windkraftanlagen, Industriegebieten, Brücken oder Flughäfen geht.

Hohe Abtastrate

PCIe-Digitizer erreicht 10 GSample pro Sekunde

Digitizer-Messkarten

Abtastrate von 6,4 GS/s und Datenstreaming bis 12,8 GByte/s

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